基于小波包方法的超声速气膜气动光学效应相干结构

当高速成像制导导弹在大气中飞行时,其光学窗口承受着严重的气动加热。超声速气膜冷却方法可以有效地隔离外部加热,但是超声速气膜流动会引起光束退化,降低图像质量。为了研究超声速气膜气动光学效应,本文构建了主流马赫数为3.4,设计喷流马赫数为2.5,实际测得喷流马赫数为2.45的超声速气膜实验装置。利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获得了高时空分辨率流场图像,并对气膜冷却流动的密度场进行重构,利用光线追迹法获取了对应密度场的光程差。通过将光程差分布和K-H涡对比后发现,光程差的波谷位置对应于涡卷的中心,而光程差的波峰对应于涡卷中心之间的连接部分。但是,随着涡结构的发展破碎,对应关系不再成立。根据超声速气膜NPLS流场图像结果,利用分形原理获取的分形维数结果,将其沿流向划分为三个区域,其对应平坦度分别为3.4,2.9,3.6,验证了区域2更适合进行相干结构提取。     

超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响,其传播方向和相位会发生变化,使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象,给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影（Background Oriented Schlieren,BOS）原理开发的基于BOS的波前传感（BOS-based Wavefront Sensor,BOS-WS）技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数（Point Spread Function,PSF）分布以及退化图像,研究结果表明:测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比,在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大,PSF峰值出现衰减,PSF峰值位置出现较为明显的偏移,PSF形态出现多峰现象,湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现,经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。     

自由旋涡气动窗口的光学特性研究

文中讨论了超音速自由旋涡气动窗口的折射率结构，对设计的超音速自由旋涡气动窗口射流流场及超音速自由旋涡气动窗口的光学性能进行了数值分析和实验研究。研究了自由涡射流对透射激光产生的气动透镜效应，给出了计算和实验结果。     

三维无规则不均匀折射率场光线追迹新方法

飞行器在大气层中高速飞行时,气动加热,光学窗口与外部气流相互作用形成了复杂的流场结构。其折射率分布无规则、不均匀,很难准确得到光线的传播路径。为此,提出三种四阶精度方法的光线追迹方案,通过与螺旋光线解析解结果进行对比,发现四阶Runge-Kutta方法光线追迹过程中最大相对误差为1.610-8,Richardson外推法为1.210-8,Adams线性多步法为1.210-11,确定Adams线性多步法是可用于光线追迹的高精度、高速的方法。基于多项式拟合的任意点插值方法可以获得比距离反比法更高的折射率场插值精度。并将该方法运用在导弹的光学窗口附近流场引起的波前畸变的计算,对计算结果进行了对比,结果表明Adams线性多步法以Runge-Kutta方法起步,但Admas方法没有忽略前一步的计算结果,不会带来误差的累积,所以结果更接近真实解,而Richardson外推方法算出的光程差大小与其他两种方法明显不同。     

雷诺数对超声速气膜气动光学效应影响的实验研究

受到风洞实验能力的限制，高速飞行器气动光学效应实验很难与其实际飞行情况完全一致。雷诺数作为重要的相似准则数，在经典流体力学风洞实验中应用广泛，研究其对于气动光学效应的影响，对于建立气动光学相似准则具有重要意义。基于定理对可能影响气动光学效应的变量进行分析，证明了雷诺数是影响气动光学效应的一个相似准则数；通过创新性设计变雷诺数实验装置，可以实现喷流单位雷诺数在106~108 m-1范围内变化。通过选取八个典型的雷诺数，并利用BOS-WS（BOS-based Wavefront Sensor）技术测量了对应状态的光程差，通过函数拟合的方法得到了光程差的均方根值与雷诺数之间的幂函数关系式。通过对不同孔径下的测量结果进行对比和归一化处理可以发现，对于二维超声速气膜而言，观察孔径尺寸并不会对获取的规律产生影响。     

Real-time BOS实时密度场监测系统

为实现定量密度场测量技术的实用化和市场化探索,文中设计了一款实时密度场监测系统——Real-time BOS。该系统由相机和处理器组成,软件基于MATLAB开发,具有非接触测量、大视场监测、定量显示、简易便携和成本低等优势,市场前景广阔。     

隐晶质石墨/LDPE复合材料的吸波性能

为了研究隐晶质石墨在吸波材料方面的应用,从隐晶质石墨微观形貌、粒径大小、晶体结构、杂质成分入手,深入探讨隐晶质石墨含量对隐晶质石墨/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料吸波性能的影响.结果表明,固定碳含量为85.69％的微米级隐晶质石墨可显著提高低频吸波效果,且其含量对吸波材料吸波性能有很大影响;随着隐晶质石墨吸波剂含量的增加,最大吸收峰值均向低频方向移动,在隐晶质石墨含量为60％时的反射率在频段2～18GHz达到最大峰值-25.19 dB,小于-5dB和-10 dB的有效带宽分别为4.31 GHz和2.57 GHz.研究表明,隐晶质石墨/LDPE复合材料具有较好的吸波性能.     

基于BOS技术的气动光学流场传输效应成像偏移校正方法研究

高速成像制导导弹在大气中飞行时,受到气动光学效应的影响,目标成像位置与其实际位置之间出现偏差。实现对气动光学效应成像偏移校正,对于提高制导精度意义重大。气动光学效应成像偏移具有很强的随机性和非线性,校正起来十分困难。通过利用背景纹影技术测量光线穿过变折射率场后的光线偏移量,建立畸变图像与参考图像之间的控制点对,采用局部加权平均拟合方法构建用于图像校正的映射函数,利用双三次卷积方法对图像灰度值进行重采样处理,完成对畸变图像的校正。分别对固定相位物（透镜）和喷流马赫数3.0的超声速气膜引起的成像偏移进行校正,实验结果验证了校正方法的有效性。     

强激光与自由射流剪切层的相互作用

在论述光场与流场相互作用规律的基础上,以激光束穿过二维超音速自由射流剪切层流场为物理模型,研究了由于辐射加热强激光束对流场的干扰以及激光束穿过模型流场并在静止大气中作远距传播后光强分布的变化。结果表明模型流场对激光束远场强度分布有明显影响,流场密度分布的微小变化都会使光束远场强度分布产生明显的不同;在强激光与高速流场相互作用的过程中,如果辐射加热机理与文中的情况类似,强激光束的辐射加热对流场所造成的干扰可以忽略。     

在CO2激光十微米发射区四种推迟器的特性分析

本文研究了波长偏移和入射角偏移对10.6μm波长的四种推迟器(λ/4CdS波片,Fresnel菱体,三镜反射系统,全息波片)相移的影响。对10.6μm的CdSλ/4波片,波长从10.591到9.519μm时,相移误差从0到50.5°。为10.6μm设计的Fresnel菱体实际上可用于整个CO_2激光发射区而误差很小。三镜反射系统具有高反射率,对波长偏移是不灵敏的,可用于一个较大的波长范围。全息波片对入射波是可调的。四种推迟器对入射角偏移显示出各自不同的灵敏度,因而有不同的用途。